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      2016下半年网络管理员考试还有两个多月时间，大家已经开始备考了吗？希赛软考网特别为大家整理了网络管理员教程知识点精讲，助大家备考一臂之力，祝广大考生取得好成绩！

      以太网技术基础

      一、IEEE802.3帧的结构

      媒体访问控制子层（MAC）的功能是以太网的核心技术，它决定了以太网的主要网络性能。MAC子层通常又分成帧的封装/解封和媒体访问控制两个功能模块。在讨论该子层的功能时，首先要了解以太网的帧结构，其帧结构如图3-7所示：

      图3-7 IEEE802.3帧的结构

      （1）前导码：包含了7个字节的二进制"1""0"间隔的代码，即1010……10共56位。当帧在媒体上传输时，接收方就能建立起位同步，因为在使用曼彻斯特编码情况下，这种"1""0"间隔的传输波形为一周期性方波。

      （2）帧首定界符（SFD）：它是长度为1个字节的10101011二进制序列，此码一过，表示一帧实际开始，以使接收器对实际帧的第一位定位。也就是说实际帧是由余下的DA+SA+L+LLCPDU+FCS组成。

      （3）目的地址（DA）：它说明了帧企图发往目的站的地址，共6个字节。可以是单址（代表单个站）、多址（代表一组站）或全地址（代表局域网上所有的站）。当目的地址出现多址时，即表示该帧被一组站同时接收，称为"组播（Multicast）".当目的地址出现全地址时，即表示该帧被局域网上所有站同时接收，称为"广播（broadcast）".通常以DA的较高位来判断地址的类型，若较高位为"0"则表示单址，为"1"表示多址或全地址，全地址时DA字段为全"1"代码。

      （4）源地址（SA）：它说明发送该帧站的地址，与DA一样占6个字节。

      （5）长度（L）：共占2个字节，表示LLC-PDU的字节数。

      （6）数据链路层协议数据单元（LLC-PDU）：它的范围处在46字节至1500字节之间。注意46字节最小LLC-PDU长度是一个限制，目的是要求局域网上所有的站都能检测到该帧，即保证网络正常工作。如果LLC-PDU小于46个字节，则发送站的MAC子层会自动填充"0"代码补齐。

      （7）帧检验序列（FCS）：它处在帧尾，共占4字节，是32位冗余检验码（CRC），检验除前导码、SFD和FCS以外的所有帧的内容，即从DA开始至DATA完毕的CRC检验结果都反映在FCS中。当发送站发出帧时，一边发送，一边逐位进行CRC检验。最后形成一个32位CRC检验和填在帧尾FCS位置中一起在媒体上传输。接收站接收后，从DA开始同样边接收边逐位进行CRC检验。最后接收站形成的检验和若与帧的检验和相同，则表示媒体上传输帧未被破坏。反之，接收站认为帧被破坏，则会通过一定的机制要求发送站重发该帧。

      那么一个帧的长度为：DA+SA+L+LLCPDU+FCS=6+6+2+（46-1500）+4=64-1518

      即，当LLC-PDU为46字节时，帧最小，帧长为64字节；当LLC-PDU为1500字节时，帧最大，帧长为1518字节。

      二、以太网的跨距

      系统的跨距表示了系统中任意两个站点间的最大距离范围，媒体访问控制方式CSMA/CD约束了整个共享型快速以太网系统的跨距。

      前面介绍了CSMA/CD的重要的参数碰撞槽时间（Slot time），可以认为：

      Slot time≈2S/0.7C+2tPHY

      如果考虑一段媒体上配置了中继器，且中继器的数量为N,设一个中继器的延时为tr,则Slot time≈2S/0.7C+2tPHY+2Ntr

      由于Slot time=Lmin/R,Lmin称为最小帧长度，R为传输速率，则系统跨距S的表达式为：

      S≈0.35C（Lmin/R-2tPHY-2Ntr）

      通过前面的学习可知，Lmin=64B=512b,C=3×108m/s,所以在10M以太网环境中，R=10×106bps,在100M以太网环境中，R=100×106bps.

      如果忽略2tPHY和2Ntr,10M以太网环境中最大跨距为5376m,100M以太网环境中最大跨距为537.6m.在实际应用中如果忽略中继器，只算上2tPHY,10M以太网环境中最大跨距为5000m左右，100M以太网环境中最大跨距约为412m.然而，在实际应用中，物理层所耗去的时间和中继器所耗去的时间都是不能忽略的，这也就是为什么要有5-4-3法则的原因。尤其是在R变大时跨距成几何级数递减，当R为1000M时，依据这个法则，根据物理层所耗去的时间的大小，甚至会出现跨距为负的情况，则网络变得不可用。为此，在1Gbps以太网上采用了帧的扩展技术，目的是为了在半双工模式下扩展碰撞域，达到增长跨距的目的。

      帧扩展技术是在不改变802.3标准所规定的最小帧长度情况下提出的一种解决办法，把最小帧长一直扩展到512字节即4096位。若形成的帧小于512字节，则在发送时要在帧的后面添上扩展位，达到512字节发送到媒体上去。扩展位是一种非"0"、"1"数值的符号，若形成的帧已大于或等于512字节，则发送时不必添加扩展位。这种解决办法使得在媒体上传输的帧长度最短不会小于512字节，在半双工模式下大大扩展了碰撞域，媒体的跨距可延伸至330m.在全双工模式下，由于不受CSMA/CD约束，无碰撞域概念，因此全双工模式下，在媒体上的帧无必要扩展到512字节。

      图3-8 100M以太网的跨距

      100BaseTX/FX系统的跨距如图3-8所示。由于跨距实际上反映了一个碰撞域，因此图中用两个DTE之间的距离来表示，DTE可以是一个网桥、交换器或路由器，也可以认为是系统中两个站点。中继器用R表示一般是一个共享型集线器，它的功能是延伸媒体和连接另一个媒体段。

      在双绞线媒体情况下，由于最长媒体段距离为100m,加1个中继器，就延伸1个最长媒体段距离，达到200m.如果再想延伸距离时，加2个中继器后，也只能达到205m,205m即为100BaseTX的跨距。

      在光纤媒体情况下，不使用中继器，跨距可达到412m,即是1个碰撞域范围，但光纤的最长媒体段2km要远远大于412m.另外，加1个中继器后，并不能延伸距离，由于中继器的延迟时间，跨距反而变小了，在加2个中继器时，跨距几乎和双绞线加2个中继器的跨距相同。因此，在实际应用中通常采用混合方式，即中继器一侧采用光纤，另一侧采用双绞线。双绞线可直接连接用户终端，跨距可达100m,光纤可直接连接路由器或主干全双工以太网交换机，跨距可达225m.

      三、交换型以太网

      在交换型以太网出现以前，以太网系统均为共享型以太网系统。在整个系统中，受到CSMA/CD媒体访问控制方式的制约。整个系统处一在个碰撞域范围中，系统中每个站都可能在往媒体上发送帧，那么每个站要占用媒体的机率就是10Mbps/n,n为站数。以太网受到CSMA/CD制约后，所有的站均在争用媒体而共同分割带宽，称"共享型"以太网。

      在20世纪80年代后期，即10BaseT出现后不久，就出现了以太网交换型集线器。到了20世纪90年代，快速以太网的交换技术和产品更是发展迅速，广泛应用。交换型以太网系统中的交换型集线器，也称以太网交换器，以其为核心连接站点或者网段。如图3-9所示，交换器的各端口之间在交换器上同时可以形成多个数据通道，图中在交换器上同时存在了4个数据通道，它们可以存在于站与站，站与网段或者网段与网段之间。网段即是多个站点构成一个共享媒体的集合，一般是一个共享型集线器连接若干个站点构成一个网段。

      图3-9以太网交换器示意图

      既然是在交换器上同时存在多个端口间的通道，也就意味着系统同时存在多个碰撞域，每一个碰撞域的一对端口都独占带宽（一个享有发送带宽，另一个享有接收带宽），那么就整个系统的带宽来说，就不再是只有10Mbps（10BaseT环境）或100Mbps（100BaseT环境），而是与交换器所具有的端口数有关。可以认为，若每个端口为10Mbps,则整个系统带宽可达10M·n,其中n为端口数，若n=10,则系统带宽可达100Mbps.因此，拓宽整个系统带宽是交换型以太网系统的最明显的特点。

      综上所述，交换型以太网系统与共享型以太网比较有如下优点：

      （1）每个端口上可以连接站点，也可以连接一个网段。不论站点和网段均独占该端口的带宽（10Mbps或100Mbps）。

      （2）系统的最大带宽可以达到端口带宽的n倍，其中n为端口数。n越大，系统的带宽越高。

      （3）交换器连接了多个网段，每一个网段都是独立的，被隔离的。但如果需要的话，独立网段之间通过其端口也可以建立暂时的数据通道。

      （4）被交换器隔离的独立网段上数据流信息不会随意广播到其它端口上去，因此具有一定的数据安全性。

      四、全双工以太网

      交换器设备工作时不同的逻辑数据通道之间已不再受到CSMA/CD的约束，但每条逻辑数据通道的两个端口之间，却仍然受到CSMA/CD的约束。即一条逻辑数据通道就是一个碰撞域。

      当交换器以太网技术和应用发展到一定阶段后，不仅要求整个系统的带宽要达到一定高度，而且还要求整个系统的跨距也要有一定的保证，特别在100Mbps及1Gbps以太网环境中，使用光纤作为媒体的情况下，若再使用受到CSMA/CD约束的一般半双工技术和产品的话，则网络覆盖范围的矛盾尤为突出。为了解决上述的问题，全双工以太网技术和产品问世了，且在1997年由IEEE802.3x标准来说明该技术的规范。

      全双工以太网技术是用来说明以太网设备端口的传输技术，与传统半双工以太网技术区别在于：每个端口和交换机背板之间都存在两条逻辑通路。这样，每一个端口就可以同时接收和发送帧，不再受到CSMA/CD的约束，在端口发送帧时不再会发生帧的碰撞，已无碰撞域的存在。这样一来，端口之间媒体的长度仅仅受到数字信号在媒体上传输衰变的影响，而不像传统以太网半双工传输时还要受到碰撞域的约束。

      图3-10全双工以太网交换器示意图

      图3-10所示为两个端口之间全双工传输的特点。端口上设有端口控制功能模块和收发器功能模块，端口上的全双工还是半双工操作一般可以自适应，也可以用人工设置。当全双工操作时，帧的发送和接收可以同时进行，这样与传统半双工操作方式比较，传输链路的带宽提高了一倍，即端口支持10Mbps或者100Mbps传输率，而其带宽却分别是20Mbps和200Mbps.在全双工传输帧时，端口上既无侦听的机制，链路上又不会多路访问，也不再需要碰撞检测，传统半双工方式下的媒体访问控制CSMA/CD的约束已不存在。

      在10Mbps端口传输率情况下，只有10Base T及10BaseFL支持全双工操作，而在10Mbps快速以太网情况下，除了100BaseT4外，100BaseFX和100BAEFX均支持全双工操作，1000BaseX也支持全双工操作。即只有链路上提供独立的发送和接收媒体才能支持全双工操作。表3-1说明了支持全双工操作的各类以太网网段的最长距离，并与传统半双工操作受碰撞域限定的网段最长距离进行比较。

      表3-1以太网网段的最长距离

      从上表可知，使用双绞线媒体，100m的距离对于半双工操作来说并非是碰撞域的跨距，仍是数字信号驱动的最长距离，因此不论是10Mbps、100M还是1000Mbps环境，全双工操作并未占有优势。对于媒体采用光纤来说，10BaseFL在两种情况下，光纤最长距离均为2km,这是因为在10Mbps传输速率情况下，由碰撞域决定的半双工网段最长距离要大于2km,2km的光纤仍是由数字信号在光纤上传输的最长距离。在100BaseFX的以太网中，全双工网段距离可达2km,而传统的半双工操作情况下，由于受到CSMA/CD的约束，碰撞域的跨距决定了网段最长距离为412m.在1000BaseLX的以太网中，采用单模光纤全双工网段距离可达5km,而传统的半双工操作情况下，由于受到CSMA/CD的约束，碰撞域的跨距决定了网段最长距离为330m.在1000BaseSX的以太网中，因不能使用单模光纤，多模光纤扩展网络有效距离的效果并不明显。

      对于网络中的客户机而言，由于其访问服务器时，发送和接收的负载往往是很不均衡的，因此，用全双工操作方式连接客户站，可延伸距离有明显的得益。对于服务器，由于会受到许多客户站的同时访问，所以发送和接收的负载一般较接近均衡，所以使用全双工操作方式，可增加带宽是明显的得益，但由于系统服务器往往与系统主交换器放置在一起，因此在延伸距离上显得无必要。对于交换器之间的连接来说，使用全双工操作方式，在延伸连接距离和拓展带宽上均能得益。

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